Ottica quantistica

L’ottica quantistica è una branca della fisica che studia l'interazione della luce con la materia dal punto di vista della meccanica quantistica.

Storia

La storia dell'ottica quantistica, come ovvio, inizia con la avvenuta formulazione del quadro concettuale quanto-meccanico del XX secolo. Volendo trovare un esperimento base dell'ottica quantistica, possiamo richiamare il celebre esperimento di Young della doppia fenditura per l'interferenza della luce, che sarà la prova cruciale per la dimostrazione dell'aspetto ondulatorio dell'elettrone e quindi della materia. In realtà lo studio dell'ottica quantistica avrà grande sviluppo a partire dagli anni sessanta del XX secolo, che grazie alla nascita del laser, potrà essere possibile utilizzare e massimizzare una serie di proprietà quanto-meccaniche proprie nel fascio laser. Lo studio dell'ottica quantistica porterà inevitabilmente allo studio dei fenomeni non lineari per interazione radiazione-materia.

Descrizione

Concetti chiave

Lo studio dell'ottica quantistica, volendo seguire un percorso concettuale che renda conto sia di una mappa concettuale che di un percorso di sviluppo storico, si può riassumere dicendo che esso parte dallo studio della interazione radiazione-materia, applicando il formalismo quanto meccanico, trattando della quantizzazione di oscillatore armonico e di atomo a due livelli per trattare poi il concetto di coerenza spaziale e temporale, emissioni spontanee e assorbimenti ed emissioni stimolate e degli stati coerenti e complessi chiamati squeezed.

Nello studio dell'ottica quantistica entrano però anche le cosiddette equazioni di Maxwell-Bloch, la spettroscopia coerente, lo studio delle cavità laser e la dinamica dei laser, la stessa statistica quantistica (operatore densità, condensazione di Bose-Einstein in gas atomico, sistemi di spin 1/2) ed infine i processi di fotorivelazione di statisca fotonica di interferenza quantica e stati mesoscopici (Entanglement, teletrasporto e informazione quantica). Dallo studio dell'ottica quantistica è nata una area di studio ampia che riguarda l'ottica non lineare.

Altri concetti

Secondo la meccanica quantistica, la luce può essere considerata non solo come un'onda elettromagnetica, ma anche come un flusso di particelle, dette fotoni, che viaggiano alla velocità della luce nel vuoto (solitamente indicata con c).

Queste particelle non possono essere considerate come oggetti classici (l'immagine usuale è quella delle palle da biliardo), ma come oggetti quantistici descritti da una funzione d'onda estesa su una regione finita di spazio. Ogni particella ha un'energia pari a ${\frac {hc}{\lambda }}$, dove $\lambda$ è la lunghezza d'onda della luce ed h è la costante di Planck. L'ipotesi della quantizzazione dell'energia della luce (in realtà di tutta la radiazione elettromagnetica), avanzata da Planck nel 1899 e la scoperta della validità di tale assunto, attraverso la spiegazione dell'effetto fotoelettrico da parte di Einstein nel 1905 sono le basi dell'ottica quantistica ed hanno portato rapidamente a speculare sulla possibilità di realizzare una inversione di popolazione, e della conseguente realizzazione di laser e maser.

Questo uso della meccanica statistica è la base della maggior parte dei concetti dell'ottica quantistica: la luce (radiazione elettromagnetica) è descritta in termini di operatori di campo quantistici per la creazione e distruzione di fotoni, utilizzando quindi gli strumenti della elettrodinamica quantistica.

Voci correlate

• Meccanica quantistica
• Fotonica
• Superradianza

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Collegamenti esterni

• Hermann Haken, Ottica quantistica, in Enciclopedia del Novecento, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1975-2004.
• (EN) quantum optics, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.